LBTEK 高精度变倍扩束镜——技术说明

一、概述

扩束镜是能够改变入射激光光束直径和发散角的透镜组件。扩束镜可以分为固定倍率扩束镜和变倍扩束镜两类，固定倍率扩束镜只能将入射激光光束直径放大到特定大小，而变倍扩束镜可以使入射激光光束直径在特定范围内调节。标准LBTEK 高精度变倍扩束镜可以进行放大倍率调节，实现入射激光光束1X-3X、1X-4X和2X-10X的倍率变化，工作波长有355 nm、532 nm和1064 nm可选。

LBTEK 高精度变倍扩束镜均针对衍射极限优化设计，且无内部焦点，适用于高功率激光加工行业，如激光打标、雕刻和切割等方面；此外，变倍扩束镜也可与一些对入射光斑直径要求较高的光学元件搭配使用，如衍射光学元件（DOE）、场镜等。

二、产品结构

LBTEK 高精度变倍扩束镜由3组透镜组成，第1组和第2组透镜的相对位移会改变扩束镜的放大倍率，第2组和第3组透镜的相对位移会改变扩束镜的发散角，3组透镜之间采用空气隙间隔方式安装于机械组件中。扩束镜的入射端刻有各个放大倍率对应的位置标识，出射端刻有各个放大倍率对应的位置标识和距离标识，对于准直入射光来说，当入射端和出射端旋转至对应位置标识一致时，可得到对应放大倍率下的准直扩束光束。LBTEK 高精度变倍扩束镜部分型号的机械外壳长度固定，不会随着放大倍率的改变而延伸，易于集成；外壳顶端有锁紧螺钉，可以保证工作时的稳定性；外壳表面带有M4的螺纹孔或预留有夹持件抱持位置，便于安装在光学系统中。

图1 LBTEK 高精度变倍扩束镜外观结构图（以VBE-532-2-10X为例）

三、光学性能

1. LBTEK 高精度变倍扩束镜工作原理

激光束经过扩束系统的变换矩阵为：

\( \)

上式f₁为变倍组（前组）的焦距，f₂为聚焦组（后组）的焦距。

假设入射光束截面边缘光线坐标为；出射光束截面边缘光线坐标为，则：

如果光束发散角θ=0，则放大倍率为：

如果光束发散角θ≠0，则放大倍率为：

2. LBTEK 高精度变倍扩束镜波前仿真图

LBTEK 高精度变倍扩束镜均按照入射光束发散角为0 °设计，通过改变变倍组（前组）的焦距f1的大小实现变倍扩束功能，下面为LBTEK 高精度变倍扩束镜的仿真波前图，波前差PV值均小于0.25λ：

图1 放大倍率为1X（左图）和3X（右图）的波前图 （VBE-532-1-3X）

图2 放大倍率为1X（左图）和3X（右图）的波前图 （VBE-1064-1-3X）

图3 放大倍率为1X（左图）和4X（右图）的波前图 （VBE-355-1-4X）

图4 放大倍率为1X（左图）和4X（右图）的波前图 （VBE-532-1-4X）

图5 放大倍率为1X（左图）和4X（右图）的波前图 （VBE-1064-1-4X）

图6 放大倍率为2X（左图）和10X（右图）的波前图 （VBE-355-2-10X）

图7 放大倍率为2X（左图）和10X（右图）的波前图 （VBE-532-2-10X）

图8 放大倍率为2X（左图）和10X（右图）的波前图 （VBE-1064-2-10X）

1. 透镜组元件

• 透镜元件材质均为紫外熔融石英（UVFS），可以保证较高的损伤阈值，适用于高功率激光加工；
• 透镜元件采用双面镀V型增透膜，保证在工作波长下有高的透过率，提高能量利用率。

2. 通光孔径

入射通光孔径指入射端所能通过的最大光束直径，出射通光孔径指出射端所能通过的最大光束直径，与机械卡环限制尺寸相关。

图6 LBTEK 高精度变倍扩束镜入射端（左）和出射端（右）模型图

（以VBE-532-2-10X为例）

3. 衍射极限最大入射光束直径

LBTEK 高精度变倍扩束镜针对衍射极限设计，则设计时所设定的入射光束直径即为该扩束镜能达到衍射极限下的最大入射光束直径：

• 对于1-4X变倍扩束镜，不同倍率均基于入射光束直径4.0 mm设计，则入射光束直径≤4.0 mm时均可以达到衍射极限，即衍射极限最大入射光束直径为4.0 mm；

图7 设计入射光束直径不随倍率变化（1-4X变倍扩束器）

• 对于1-3X、2-10X变倍扩束镜，因不同倍率的设计入射光束直径不同，则不同倍率时的衍射极限最大入射光束直径也不同。

图8 设计入射光束直径随倍率变化（以2-10X变倍扩束器为例）